Veijo Hänninen

Neutronit paljastavat enemmän

Neutronit ovat neutraaleja subatomisia hiukkasia, joissa ei ole sähkövarausta. Tämän vuoksi ne eivät ole tuhoavia ja voivat tunkeutua aineeseen paljon syvemmälle kuin varatut hiukkaset, kuten elektronit. Sirottamalla neutroneja materiaaleista tutkijat voivat visualisoida atomien asemia ja liikkeitä sekä tehdä löytöjä, jotka voivat vaikuttaa melkein kaikkiin elämämme osa-alueisiin.

Neutronitutkimukset nanohiukkasista, matalaulotteisista järjestelmistä ja magnetismista vaikuttavat erityisesti seuraavan sukupolven tietokone- ja IT-tekniikkaan, datan tallentamiseen, antureihin ja suprajohtaviin materiaaleihin.

Palapeli rautajodidin salaperäisen magnetismin takana

Materiaaleja, joilla on uudenlaisia ominaisuuksia, kehitetään melkein aina lisäämällä ainesosalistaan uusia elementtejä. Mutta uusimmat kvanttitutkimukset viittaavat siihen, että joillakin yksinkertaisilla materiaaleilla saattaa jo olla erityisiä ominaisuuksia, joita tutkijat eivät vain ole havainneet tähän mennessä.

Georgia Techin ja Tennessee-Knoxvillen yliopistojen tutkijat paljastivat piilotelleen ja odottamattoman kvanttikäyttäytymisen melko yksinkertaisessa rauta-jodidimateriaalissa (FeI2), joka löydettiin lähes sata vuotta sitten.

Ryhmän havainnot ratkaisevat 40 vuotta vanhan arvoituksen materiaalin salaperäisestä käyttäytymisestä, ja niitä voidaan käyttää karttana avaamaan kvantti-ilmiöiden aarreaitta muissakin materiaaleissa.

Yleenä magneeteissa elektronien spinit osoittavat joko samaan suuntaan tai vuorotellen ylös ja alas. Mutta monimutkaisemmissa materiaaleissa, kuten rautajodidissa, elektronit ovat järjestyneet kolmionmuotoiseen hilaan, jossa kolmen magneettisen momentin väliset magneettiset voimat ovat ristiriidassa eivätkä ole varmoja mihin suuntaan osoittaa - siten niitä kutsutaan turhautuneeksi magnetismiksi.

Kvanttimateriaaleja kuvataan usein järjestelmiksi, jotka osoittavat eksoottista käyttäytymistä eivätkä tottele klassisia fysiikan lakeja.

"Kvanttimateriaaleissa kaksi asiaa kiinnostaa suuresti: aineen faasit ja niiden herätteet, kuten ääniaallot. Vastaavasti spinaallot ovat magneettisia kiinteän materiaalin herätteitä”, sanoo professori Martin Mourigal. "Kvanttimateriaalien tutkimuksessa tavoite on ollut pitkään eksoottisten faasien löytäminen, mutta kysymys, jonka esitimme tässä tutkimuksessa, oli "Ehkä faasi itsessään ei olekaan se eksoottisuus, vaan sen viritykset? "Ja todellakin sen me löysimme."

Kun tutkijat altistivat rautajodidimateriaalin neutronisäteiden tutkimukselle, he odottivat näkevänsä yhden erityisen virityksen tai energiakaistan, joka liittyy magneettiseen momenttiin yhdestä elektronista; mutta sen sijaan he näkivät kaksi erilaista kvanttivaihtelua samanaikaisesti.

"Neutronit antoivat meille mahdollisuuden nähdä tämä piilotettu vaihtelu hyvin selvästi ja voimme mitata sen koko herätespektrin, mutta emme silti ymmärtäneet, miksi näimme tällaisen epänormaalin käyttäytymisen ilmeisen klassisessa faasissa", Bai hämmästelee.

Tässä vaiheessa he kääntyivät teoreettisen fyysikko Cristian Batistanin puoleen. Hänen avullaan tiimi pystyi mallintamaan matemaattisesti salaperäisen kvanttivaihtelun käyttäytymisen ja tehden lisää neutronikokeita, he pystyivät tunnistamaan sen aiheuttaman mekanismin.

"Mitä teoria ennusti ja mitä pystyimme vahvistamaan neutronien avulla, on se, että tämä eksoottinen vaihtelu tapahtuu, kun kahden elektronin välinen spinin suunta käännetään ja niiden magneettiset momentit kallistuvat vastakkaisiin suuntiin", Batista sanoi. "Kun neutronit ovat vuorovaikutuksessa elektronien spinien kanssa, spinit pyörivät synkronisesti tietyssä suunnassa avaruudessa. Tämä neutronin sironnan laukaisema koreografia luo spin-aallon."

Hän selitti, että erilaisissa materiaaleissa elektroniset spinit voivat saada monia eri suuntauksia ja spinien koreografioita, jotka luovat erilaisia spinaaltoja. Kvanttimekaniikassa tämä käsite tunnetaan nimellä "aalto-hiukkasten kaksinaisuus", jossa uusia aaltoja pidetään uusina hiukkasina ja ne ovat tyypillisesti piilottuneet neutronisirontaan normaaleissa olosuhteissa.

"Tavallaan etsimme tummia hiukkasia", Batista lisäsi. "Emme näe niitä, mutta tiedämme, että ne ovat siellä, koska voimme nähdä niiden vaikutukset tai niiden vuorovaikutukset näkemiemme hiukkasten kanssa."

"Kvanttimekaniikassa aaltojen ja hiukkasten välillä ei ole eroa. Ymmärrämme hiukkasen käyttäytymisen aallonpituuden perusteella ja sitä neutronit antavat meille mahdollisuuden mitata ”, Bai sanoi.

Kvanttimagneettisen käyttäytymisen hyödyntäminen on jo johtanut tekniseen kehitykseen, kuten MRI-laitteisto ja magneettinen kiintolevytallennus. Eksoottisemmat kvanttimateriaalit voivat nopeuttaa seuraavaa teknologista aaltoa.

"Nyt kun ymmärrämme kuinka tämä eksoottinen käyttäytyminen toimii suhteellisen yksinkertaisessa materiaalissa, voimme kuvitella mitä voisimme löytää monimutkaisemmista.

Nestemäinen liike kiteissä aurinkokennoissa

Duke Universityn ja Argonnen kansallisen laboratorion yhteiset tutkimukset toivat esiin, että nesteen kaltainen liike kiteissä voisi selittää perovskiittien lupaavan käyttäytymisensä aurinkokennoissa

"Näitä materiaaleja ympäröi paljon jännitystä, mutta emme vielä täysin ymmärrä, miksi ne ovat niin hyviä aurinkosähköisiä materiaaleja", kertoi Duke Universityn johtava tutkija Olivier Delaire.

"Perovskiitit menestyvät hyvin rekombinaation estämisessä", toteaa Argonnen Ray Osborn. ”Haluamme tietää, mikä mekanismi aiheuttaa tämän, ja jos voisimme oppia siitä luomaan parempia aurinkokennoja.”

Ryhmä tutki yhtä yksinkertaisimmista perovskiiteista (CsPbBr3) selvittääkseen, mitä atomimittakaavassa tapahtuu.

Käyttäen röntgensäteilyn sirontaominaisuuksia ryhmä keräsi atomien keskimääräiset sijainnit perovskiittikiteessä eri lämpötiloissa. He havaitsivat, että jokainen lyijyatomi ja sitä ympäröivä bromiatomien häkki muodostavat jäykkiä yksiköitä, jotka käyttäytyvät kuin molekyylit. Nämä yksiköt värähtelevät nestemäisellä tavalla.

"Tämän materiaalin molekyylit pyörivät muiden molekyylien ympäri kuin ne olisivat saranoituina toisiinsa ja saranoiden ympärillä molekyylit toimivat tavallaan kuin levykkeet", sanoi Delaire.

Yksi teoria selittää kuinka perovskiitit vastustavat rekombinaatiota on, että nämä hilan eli kiderakenteen vääristymät myötäilevät vapaita elektroneja, jotka kulkevat materiaalin läpi. Elektronit saattavat deformoida hilaa aiheuttaen nestemäisiä häiriöitä, jotka estävät niitä sitten putoamasta takaisin isäntäatomiinsa. Tämä teoria, jota uudet kokeelliset tulokset tukevat, voi tarjota uusia oivalluksia optimaalisten perovskiittimateriaalien suunnittelusta aurinkokennoille.

Data osoittaa myös, että materiaalin molekyylit värähtelevät kaksiulotteisissa tasoissa ilman liikettä tasojen yli - samanlainen kuin karnevaalimatka, joka vain heiluu vasemmalta oikealle, mutta ei koskaan edestä taakse. Kidevääristymien kaksiulotteisuus voisi olla vielä yksi pelin pala, joka selittää, kuinka perovskiitti voi estää elektronien rekombinaation, mikä edistää materiaalin tehokkuutta.

Osbornin mukaan röntgensironnan datassa olevia kaksiulotteisia kuvioita ei oltu koskaan aikaisemmin nähty. ”Näiden odottamattomien mittauksein pohjalta halusimme kaivaa vielä syvemmälle, ei vain tarkastelemalla keskimääräisiä atomien paikkoja, vaan miten atomit liikkuvat reaaliajassa”, hän sanoi.

Tutkiakseen atomien liikettä suoraan, tutkijatiimi käytti neutronien sirontaominaisuuksia Spallation Neutron Source -sovelluksessa Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa.

Neutronien sironta vahvisti röntgensirontakokeessa nähdyn odottamattoman kuvion, mutta osoitti lisäksi, että molekyylien värähtely kahdessa ulottuvuudessa ei vaadi lähes ollenkaan energiaa. Tämä auttaa selittämään, miksi virittyneet elektronit voivat deformoida hilaa niin helposti.

"Tämä työ on kaunis esimerkki neutronien ja röntgensäteiden toisiaan täydentävyydestä paljastaen monimutkaisten materiaalien rakenteen ja dynamiikan", kertoi Osborn, joka oli mukana molemmissa mittaussarjoissa.

Tutkimus on askel kohti suurelta osin käyttämättömän auringon uusiutuvan energian täysimääräistä hyödyntämistä, jolla voi olla merkittäviä vaikutuksia sekä ympäristöön että talouteen.

Toimivan akun tutkimuksia

Kalifornian yliopiston San Diegon tutkijat työskentelivät Oak Ridgen kansallisen laboratorion (ORNL) tutkijoiden kanssa neutronin sirontakokeiden suorittamiseksi uudentyyppiselle materiaalille, jota voisi käyttää turvallisempien ja nopeammin ladattavien akkujen valmistamiseen.

Tutkijat tuottivat näytteitä litiumvanadiumoksidista (Li3V2O5), joka on "epäsäännöllinen kivisuola", joka on samanlainen kuin pöytäsuola, mutta jossain määrin satunnaisuutta atomien järjestelyssä. Näytteet sijoitettiin voimakkaaseen neutronisäteeseen, joka mahdollisti materiaalin sisällä olevien ionien toiminnan tarkkailun jännitteen käytön jälkeen.

Materiaali osoitti toivottavia ominaisuuksia monille akkusovelluksille, kuten sähköautoille ja sähkötyökaluille, mukaan lukien sen kuinka nopeasti energia voidaan varastoida ja purkaa käyttöä varten.

Testauksen aikana kivisuolanodimateriaali pystyi toimittamaan yli 40 prosenttia energiakapasiteetistaanvain 20 sekunnissa. Nopea lataus ja tyhjennys näyttää mahdolliselta, koska kivisuolamateriaali voi kierrättää kaksi litiumionia vakanssipaikkoihin ja ulos kiderakenteessaan.

"Neutronidiffraktiotekniikoiden käyttö ORNL:ssä antoi meille mahdollisuuden ymmärtää, miten ionit käyttäytyvät, kun kohdistamme materiaaleihin jännitettä", Liu sanoi. Neutronit pystyvät helposti seuraamaan litiumioneja ja happiatomeja kivisuola-anodin sisällä, käyttäen Vulcan instrumenttia ja Spallation Neutron Sourcen (SNS) yhteydessä.

Vulcan on suunniteltu teknisten materiaalien muodonmuutosten, faasimuutosten, jäännösjännityksen, tekstuurin ja mikrorakenteiden neutronitutkimuksiin. Sen avoin rakenne mahdollistaa suurten näytteiden ja jopa toimivien mekaanisten laitteiden, kuten käynnissä olevien polttomoottoreiden, testaamisen ja niiden sisäisten ominaisuuksien havainnoinnin. Laite on tarjonnut kriittistä tieteellistä tietoa energian varastointitutkimukseen akkumateriaalien synteesin aikana sekä niiden käyttäytymisestä toimivissa akuissa.

Neutronit osoittavat superkondensaattoreiden ionit

Massachusettsin teknillisen instituutin (MIT) tutkijat tekivät neutronitutkimusta Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa (ORNL) uuden, erittäin huokoisen nanomateriaalin tutkimiseksi, joka voisi toimia kestävänä, korkean energian superkondensaattoreina.

"MIT kehitti äskettäin metalli-orgaanisen runkomateriaalin (MOF), jolla on erinomainen sähkönjohtavuus ja energian varastointikapasiteetti", kertoi professori Mircea Dincă. "Jos voimme ymmärtää paremmin, kuinka MOF varastoi ja vapauttaa niin paljon sähköenergiaa niin nopeasti, voimme ehkä tehdä siitä kestävän superkondensaattorimateriaalin."

MOF:t ovat kiteisiä materiaaleja, jotka koostuvat metalli-ioneista ja orgaanisista molekyyleistä ja niillä on mikrohuokosia, mikä tekee niistä hyviä malleja varaus- ja purkausmekanismien tutkimiseen.

Tutkiakseen ionien adsorptiomekanismeja MIT:n huokoisessa, johtavassa MOF:ssa, ryhmä teki materiaalista elektrodit ja liotti ne liuottimeen, joka sisälsi natriumtriflaattielektrolyytin. Tämä mahdollisti positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiden ionien virrata vapaasti, kun tutkijat kytkivät jännitteen päälle tai pois ja kytkivät sen negatiiviseksi tai positiiviseksi ja takaisin.

Tutkijat havaitsivat ORNL:n High Flux Isotope Reactorissa (HFIR) tehdyissä neutronisirontakokeissa, että kun käytetty jännite on nolla, elektrolyytin natriumionit muodostavat ohuen kerroksen MOF:n sauvan kaltaisille rakennelohkoille, kun taas liuotinmolekyylit tunkeutuvat huokosiin. Positiivisen tai negatiivisen jännitteen käyttäminen saa vastaavasti natriumionit tai triflaatti-ionit menemään huokosiin. Napaisuuden muuttaminen myöhemmin saa huokosten sisällä olevat ionit vaihtamaan asemiaan ulkopuolisten kanssa.

Neutronikokeiden data osoitti, että varausten varastointimekanismit mikrohuokosissa riippuvat voimakkaasti elektrodien polarisaatiosta. Nämä havainnot tuovat uusia oivalluksia nanomateriaalien varauksen varastoinnin mekanismeista.

"MOFeilla on tyypillisesti korkea huokoisuus, mutta heikko sähkönjohtavuus, mikä rajoittaa niiden käyttöä suuritehoisissa sovelluksissa", kertoi Lilin He, neutronin sirontatutkija ORNL:ltä. "Tämä johtava MOF on erittäin huokoinen nanomateriaali, jolla on erittäin suuri kokonaispinta-ala, kun otetaan huomioon kaikki sisähuokoset, aukot ja pinnat.

"Yhtä tärkeää kuin johtokyky on, että tämä MOF osoitti vain 10 prosenttista kapasitanssin menetystä eikä sisäisen sähköisen resistanssin kasvua edes 10000 jakson jälkeen, mikä voisi osoittaa hyvää kestävyyttä tulevissa kaupallisissa sovelluksissa", hän lisäsi.

Neutronisironta on ihanteellinen työkalu MOF:ien sisällä olevien ionien toiminnan tarkkailuun, koska neutronit voivat tunkeutua syvälle melkein mihin tahansa materiaaliin. Ne ovat myös herkkiä kevyiden elementtien, kuten deuteriumin (vedyn isotooppi), läsnäololle, jota tutkijat lisäsivät elektrolyyttiin. Elektrolyytissä oleva deuteroitu vety tarjosi kontrastin, joka auttoi näkemään ionien sijainnin jopa MOF:in miljoonien huokosten sisällä.

Toukokuu 2021